Анатомия зонда SKP

Во всех методах электрохимии со сканирующим зондом ключевой фактор в обеспечении качества измерения — сканирующий зонд Кельвина (SKP) — не исключение. В этой статье мы рассмотрим датчик SKP более подробно, чтобы определить ключевые компоненты датчика, которые определяют качество измерения.

 

СКП: Зонд

Зонд SKP формирует конденсатор с параллельными пластинами с интересующим образцом, что позволяет измерить разность контактных потенциалов образца (CPD или вольта-потенциал). В то время как конденсатор с плоскими пластинами образуется при соединении двух разных материалов, удерживаемых параллельно друг другу, требуется тщательное рассмотрение конструкции датчика для получения высококачественных результатов измерений SKP. Двумя ключевыми компонентами, влияющими на измерение, являются наконечник и экран, выделенные на рис. 1 ниже. Мы обсудим оба компонента по отдельности.

Рис. 1. Зонд SKP 150 мкм показан с выделенными наконечником и экраном.

 

Наконечник сканирующего датчика Кельвина

Наконечник зонда является ключом к качеству и разрешению измерений SKP. Как и в случае других измерений со сканирующим датчиком, датчик SKP определяет конечное разрешение измерения SKP, при этом меньшие диаметры наконечника обычно приводят к измерениям с более высоким разрешением. Однако для SKP эта зависимость не обязательно следует прямой линии по мере того, как зонд становится все меньше и меньше. В SKP важным фактором, который необходимо учитывать независимо от размера зонда, является отклонение электрического поля между двумя конденсаторами от плоскости электродов, как показано на рис. 2.

Из-за эффекта интерференции на измеренный зондирующий сигнал влияет область, большая, чем область непосредственно под ним. Эффект интерференции усиливается по мере уменьшения диаметра зонда, а края и стороны зонда становятся пропорционально больше по сравнению с площадью зонда. В результате увеличивается влияние интерференции на измеренный CPD, что необходимо учитывать при интерпретации результатов самых маленьких датчиков SKP [1].

Рисунок 2: Проиллюстрирован эффект интерференции в SKP, пунктирные линии представляют собой
электрическое поле между зондом и образцом.

 

Также необходимо учитывать материал наконечника зонда SKP. При выборе материала для зонда SKP важно, чтобы он был стабильным с воспроизводимой работой выхода в интересующих экспериментальных условиях [2]. Если материал не соответствует этому требованию, CPD может меняться в ходе измерения из-за датчика. Кроме того, материал наконечника влияет на то, насколько чувствителен сигнал к изменению расстояния между зондом и образцом [3]. При правильном выборе материала наконечника будет минимальное изменение уровня или качества сигнала с незначительными изменениями топографии образца, как это происходит с вольфрамовой проволокой датчиков BioLogic SKP. Наконец, было замечено, что материал наконечника зонда влияет на способность зонда разрешать изменения потенциала [2].

 

Щит

Хотя наконечника самого по себе достаточно для формирования конденсатора с плоскими пластинами, необходимого для выполнения измерений SKP, качество сигнала может быть плохим, если используется только провод. При выполнении SKP необходимо учитывать паразитную емкость, которая может вызвать трудности в интерпретации результатов. Роль экрана заключается в уменьшении паразитной емкости при измерении и улучшении результирующего сигнала [4]. Не все конструкции щитов ведут себя одинаково. Например, в качестве экранирующего материала были проведены эксперименты со стеклом, однако было обнаружено, что на стеклянном экране может образовываться электростатический заряд, который влияет на измеряемый сигнал, и его трудно удалить в стандартных условиях [5]. С другой стороны, было обнаружено, что включение воздушного зазора может повысить устойчивость измерения к паразитной емкости [6].

 

 

Использованная литература:

1. Wicinski, W. Burgstaller, AW Hassel, Corros. науч. 104 (2016) 1-8
2. Huber, M. Wicinski, AW Hassel, Phys. Статус Solidi A 215 (2018) 1700952
3. Хуссейн (2003). Новые электрохимические методы сканирования, применяемые для исследования локализованной коррозии (докторская диссертация, UMIST, Манчестер, Великобритания)
4. Ritty, F. Wachtel, R. Manquenouille, F. Ott, JB Donnet, J. Phys. Э: наук. Инструм. 15 (1982) 310
5. Ровердер, Ф. Турку, Электрохим. Акта 53 (2007) 290-299
6. Хуссейн, С. М. Хак, JoSHCT 1 (2014) 1–17